Les origines de l’eau de la Terre sont un mystère compliqué que les scientifiques ont résolu pendant des décennies. La vie est impossible sans eau, donc l’origine de l’eau vivifiante de la Terre est une question fondamentale. Au fur et à mesure que la puissance de nos télescopes augmente, les chercheurs ont fait des progrès significatifs sur la question.
Des recherches antérieures ont révélé des liens entre l’eau de la Terre et les comètes et les planétésimaux glacés du système solaire. Mais des recherches plus récentes remontent la chaîne encore plus loin dans le temps jusqu’au moment où le Soleil lui-même ne s’était pas encore formé.
“Nous pouvons maintenant retracer les origines de l’eau dans notre système solaire avant la formation du Soleil.”
John J. Tobin, NRAO
Une nouvelle étude a examiné l’étoile V883 Orionis, qui se trouve à environ 1300 années-lumière. V883 Orionis est une jeune protoétoile, âgée d’environ 500 000 ans seulement, un simple enfant en termes stellaires. À un si jeune âge, l’étoile n’a pas dissipé le nuage de gaz et de poussière dans lequel elle est née. Et à l’intérieur de ce nuage tourbillonnant, appelé disque protoplanétaire, les planètes du système solaire lointain se forment encore.
Les astronomes ont du mal à voir les détails dans les jeunes systèmes solaires comme le système V883 Orionis. L’activité est cachée à l’intérieur du voile de gaz et de poussière. Mais de nouvelles observations avec l’Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) ont détecté de la vapeur d’eau dans le système, et les scientifiques à l’origine d’une nouvelle étude ont également mesuré “l’empreinte chimique” de l’eau.
L’étude s’intitule “L’eau enrichie en deutérium lie les disques de formation de planètes aux comètes et aux protoétoiles” et est publiée dans la revue Nature. L’auteur principal est John J. Tobin du National Radio Astronomy Observatory des États-Unis. “Nous pouvons maintenant retracer les origines de l’eau dans notre système solaire avant la formation du Soleil”, a déclaré Tobin dans un communiqué de presse annonçant les résultats.
La détection de l’eau dans les jeunes systèmes solaires est délicate car elle est principalement gelée dans la glace. “La majeure partie de l’eau des disques de formation de planètes est gelée sous forme de glace, elle est donc généralement cachée à notre vue”, explique la co-auteure Margot Leemker, doctorante à l’Observatoire de Leiden aux Pays-Bas. Cela limite le mouvement moléculaire de l’eau. Mais lorsque l’eau est sous sa forme gazeuse, les molécules tournent et vibrent. Ils se déplacent constamment les uns par rapport aux autres, et les liaisons hydrogène se rompent et se reforment continuellement, et toute cette activité émet un rayonnement qu’ALMA peut voir.
En règle générale, l’eau éloignée de l’étoile est gelée, tandis que l’eau plus proche de l’étoile est gazeuse. Cependant, la région la plus proche de l’étoile est cachée à la vue par le nuage de gaz entourant l’étoile, tout comme le rayonnement de l’eau gazeuse.
Ce qui distingue cette étude des autres, c’est que les chercheurs ont détecté de la vapeur d’eau à une grande distance de V883 Orionis. Non seulement ils ont détecté l’eau, mais ils ont mesuré son empreinte chimique.
Normalement, l’eau est composée de deux atomes d’hydrogène réguliers et d’un atome d’oxygène (H2O.) Mais parfois, l’un des atomes d’hydrogène de la molécule d’eau est de l’hydrogène lourd, également appelé deutérium. (Le deutérium contient un neutron, contrairement à l’hydrogène ordinaire.) H2O avec un atome de deutérium est appelé eau semi-lourde, car le neutron supplémentaire augmente sa densité. Une masse d’eau, qu’elle se trouve dans l’un des océans de la Terre ou quelque part dans un système solaire lointain, peut contenir les deux types d’eau, et le rapport entre les deux est l’empreinte chimique de l’eau.
Le disque de V883 Orionis est anormalement chaud, un fait révélé par des recherches antérieures. En tant que jeune protoétoile, il accumule encore du matériel. Mais l’accrétion est un processus inégal, et comme V883 Orionis accrète de la matière, elle subit également des explosions d’énergie. Cette énergie peut éloigner la ligne de neige de l’étoile, sublimant ce qui était de la glace d’eau en vapeur d’eau. C’est ce qui s’est passé il y a quelques années, lorsqu’une explosion d’énergie de l’étoile a augmenté sa luminosité, réchauffé le disque et sublimé la glace en vapeur, la rendant visible.
“La nature chaude du disque de V883 Ori nous permet de caractériser son réservoir d’eau avec des observations spatialement résolues, contrairement à la plupart des disques proto-planétaires”, expliquent les auteurs dans leurs recherches.
Cette visibilité a aidé à illustrer un autre lien dans le long voyage de l’eau, des nuages gazeux formant des étoiles aux océans planétaires comme celui de la Terre. Jusqu’à présent, ce lien manquait, selon l’auteur principal Tobin. “Le V883 Orionis est le chaînon manquant dans ce cas”, déclare Tobin. “La composition de l’eau dans le disque est très similaire à celle des comètes de notre propre système solaire. C’est la confirmation de l’idée que l’eau des systèmes planétaires s’est formée il y a des milliards d’années, avant le Soleil, dans l’espace interstellaire, et a été héritée par les comètes et la Terre, relativement inchangée.
L’équipe a mesuré le HDO:H2O ratio du disque et a constaté qu’il est comparable à la fois aux comètes et aux enveloppes protostellaires, expliquent les auteurs, mais dépasse celui des océans de la Terre.
“Nous concluons que les disques héritent directement de l’eau du nuage de formation d’étoiles et que cette eau s’incorpore dans de grands corps glacés, tels que des comètes, sans altération chimique substantielle.”
de “L’eau enrichie en deutérium relie les disques de formation de planètes aux comètes et aux protoétoiles.”
Il faut beaucoup de recherches pour démêler ce qui se passe dans un système solaire autour d’une jeune protoétoile comme V883 Orionis. ALMA a le pouvoir d’observer les raies d’émission moléculaire non seulement de différentes molécules d’eau, mais aussi de molécules comme le méthanol. La localisation de chaque type de molécule révèle la nature du système.
Dans l’ensemble, les résultats révèlent un lien entre l’eau qui existait dans le nuage avant même la formation de V883 Orionis et l’eau du système solaire. La composition de l’eau dans le disque autour de la jeune étoile est la même que la composition de l’eau dans les objets de notre système solaire comme les comètes.
“Nous concluons que les disques héritent directement de l’eau du nuage de formation d’étoiles et que cette eau s’incorpore dans de grands corps glacés, tels que des comètes, sans altération chimique substantielle”, écrivent les auteurs. L’équipe a également découvert que le disque contient 1200 fois plus d’eau que tous les océans de la Terre.
Des recherches antérieures montrent qu’au moins une partie de l’eau de la Terre a été apportée par des comètes au début de l’histoire de la Terre. Cette étude montre que l’histoire de l’eau remonte à avant la formation du Soleil, illustrant son voyage épique qui dure des millions d’années avant de se retrouver dans la biosphère terrestre.
Non seulement l’eau de la Terre a accompli un voyage épique pour faire partie de la planète, mais l’effort pour comprendre les origines de l’eau est également épique. La sensibilité d’ALMA a permis cette recherche, et de futures observations avec des télescopes encore plus puissants peuvent renforcer ces découvertes.
L’Extremely Large Telescope de l’ESO devrait voir sa première lumière en 2028. L’ELT comprendra un instrument puissant nommé METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph.) METIS, lorsqu’il est combiné avec l’énorme miroir de 39 mètres de diamètre du télescope, permettra des étude de disques circumstellaires comme celui entourant V883 Orionis. Sa puissance permettra aux astronomes de résoudre la phase gazeuse de l’eau dans ces disques et éclairera davantage les liens dans le long voyage de l’eau du nuage de gaz aux planètes.
“Cela nous donnera une vue beaucoup plus complète de la glace et du gaz dans les disques de formation de planètes”, conclut Leemker.
